Очистка азотоводородной смеси (АВС) каталитическим гидрированием основана на применении следующих реакций:
СО + 3Н2 = СН4 + Н2О + 49,4 ккал (206,6 кДж) (4.41)
СО2 + 4Н2 = СН4 + 2Н2О + 39,5 ккал (165,5 кДж) (4.42)
Все реакции гидрирования являются экзотермическими, и в условиях проведения процесса очистки их следует рассматривать как необратимые, что позволяет достигать практически полной очистки газа от кислородосодержащих примесей монооксида и диоксида углерода.
Теоретическое повышение температуры при гидрировании 1% об. соответствующей смеси составляет: СО – 700С, СО2 – 600С.
Очистка газов каталитическим гидрированием проводится в широком интервале давлений. Температура процесса зависит от активности применяемого катализатора. Основу катализаторов гидрирования составляют такие активные компоненты как никель, железо и металлы платиновой группы. Наиболее распространены никелевые катализаторы, т.к. никель обладает высокой активностью в отношении реакции гидрирования монооксида углерода.
Для метанирования применяется никельалюминиевый катализатор на носителе, содержащий (20÷40)% никеля. В состав его входят оксид алюминия, соединения магния и кальция. Катализатор имеет форму таблеток. При давлении (2÷4)МПа ((20÷40)кгс/см2) объемная скорость на этом катализаторе допускается (4000÷15000) ч-1. Достоинством никельалюминиевого катализатора является высокая термостойкость – выдерживает нагревание до (600÷650)0С. Остаточная объемная доля монооксида углерода в газе составляет не более 10 ррm, диоксида углерода — не более 5 ррm. Никельалюминиевый катализатор работает в восстановленном состоянии.
Восстановление катализатора ведут при температуре (300÷400)0С водородосодержащим газом. Присутствие в газе диоксида углерода не влияет на процесс гидрирования монооксида углерода. Напротив, гидрированию диоксида углерода препятствует присутствие в газе монооксида углерода.
Для повышения скорости гидрирования СО2 следует увеличить линейную скорость газового потока через слой катализатора. При этом каталитический процесс переходит во внешнюю диффузионную область и скорость гидрирования СО2 резко возрастает.
Преимуществом процесса каталитического гидрирования является возможность достижения тонкой очистки.
Его недостаток заключается в увеличении концентрации метана в АВС, идущей на синтез аммиака.
Катализатор метанирования изготавливается в виде оксида никеля на носителе, который необходимо восстанавливать в металлический никель, чтобы сделать катализатор активным.
Восстановление оксида никеля может происходить по двум реакциям:
NiO + Н2 = Ni + Н2О – 2,56 кДж (4.43.)
NiО + СО = Ni + СО2 + 30,29 кДж (4.44.)
Эти реакции не приведут к большому повышению температуры в слое катализатора. Однако как только в процессе восстановления рабочим газом произойдет образование металлического никеля, сразу начинается метанирование, которое приведет к возрастанию температуры. По этой причине газ, используемый для восстановления, должен содержать возможно меньше СО и СО2 — в сумме не более 1% (об.). На последних стадиях восстановления поднимают температуру до 4000С, т.к. это увеличивает степень восстановления никеля. Для достижения этой температуры может оказаться необходимым увеличить содержание монооксида углерода во входящем газе.
